TWI: Tribologie

Dr. Amit Rana ist Team Manager für Tribologie- und Beschichtungs-Team und Dr. Damaso De Bono ist Principal Project Leader in der Abteilung für numerische Modellierung und Optimierung am TWI in Middlesbrough.

Das Webinar befasst sich mit folgenden Themen:

• Vorstellung des TWI
• Vorstellung der Tribologie
• Beispiele der Tribologie
• Zusammenfassung

Der Leitspruch des TWI (The Welding Institute) ist "weltklassige Dienstleistungen für das Fügen von Werkstoffen sowie den zugehörigen Ingenieurswissenschaften zu erbringen, um den Bedarf der Industrie zu decken."

Die wichtigsten Zahlen:

• 80 Mio € (70 Mio £) Umsatz pro Jahr
• Keine wirtschaftlichen Gewinnziele (Non profit distributing)
• 800 Mitarbeiter
• Über 700 industrielle Mitglieder weltweit
• 70 Jahre Erfahrung

Alle Beratungsdienstleistungen werden ausschließlich für Mitglieder erbracht, seien es große, multinationale Industriefirmen, klein- und mittelständische Unternehmen oder Einzelunternehmer, die eine jährliche Mitgliedschaftsgebühr zahlen, um die Leistungen zu nutzen. TWI hat über 700 industrielle Mitglieder auf der ganzen Welt und zur Zeit mehr als 800 Mitarbeiter an mehreren Standorten in Großbritannien und anderen Staaten der Welt.

Außerdem beteiligt sich das TWI intensiv an Verbundforschungsprojekten, die einen großen Teil des Jahresumsatzes von 80 Mio € (70 Mio £) pro Jahr ausmachen. Das sind Britische und Europäische Verbundforschungsprojekte, interne Projekte und Kollaborationsprojekten zwischen TWI und der Industrie.

Das Netzwerk in Großbritannien hat fünf Standorte:

• Cambridge (Hauptgeschäftsstelle)
• Middlesbrough (North East)
• Aberdeen (Schottland)
• Sheffield (Yorkshire)
• Port Talbot (Wales)

• Schweiß- und Fügetechnik
• • Additive Manufacturing
  • Lichtbogenschweißen
  • Laser- und Blechbearbeitungsverfahren einschließlich Laserschweißen und -schneiden
  • Reib- und Press-Schweißprozesse einschließlich Linearreibschweißen und Rührreibschweißen
  • Elektronenstrahlschweißen
  • Klebstoffe und Verbundwerkstoffe
  • Keramik
  • Löten
  • Erforschung und Entwicklung neuer Technologien
    
    
• Materialkunde
• • Charakterisierung von Material- und Versagenskriterien
  • Untersuchung von Werkstoffen, Verbindungen und Alterung
  • Materialeigenschaftsverbesserungen für anspruchsvolle Umgebungsbedingungen
  • Oberflächentechnik
  • Schweißtechnik und Fabrikation
    
    
• Strukturintegrität
• • Betriebsfestigkeitsuntersuchungen
  • Risiko-basierte Inspektion
  • Moderne und spezielle zerstörungsfreie Prüfung und Inspektion
  • Untersuchungen und Gutachten zur Materialermüdung und Bruchmechanik
  • Materialuntersuchungen unter kritischen Umgebungsbedingungen, z.B. H₂S, CO₂, und H₂ sowie in Hochdruck- und Hochtemperatur-Zellen
  • Software
  • Spezialisiertes Training

Das Team für Tribologie und Beschichtungstechnik befasst sich mit folgenden Themen:

• Beschichtungen
• • Zusammensetzung und Optimierung
  • Aufbringung und Aushärtung
  • Werkstoffauswahl
  • Problemlösung

• Untersuchung und Validierung
• • Umgebungseinflüsse
  • Mechanische Einflüsse
  • Durchführbarkeit (Proof of Concept)

• Tribologie
• • Verschleißuntersuchungen
  • Kratz-, Abriebs- und Schlagbeständigkeitsuntersuchungen
  • Nanobeulen und -kratzer
    
    
• Charakterisierung
• • Lichtmikroskopie
  • Oberflächenprofilvermessung
  • Moderne Mikroskopie
  • Chemische Untersuchungen
  • Thermische und elektrische Untersuchungen
    
    
• Mehrskalige Materialeigenschaftsmodellierung
• • Bewertung von lokalen Beschädigungen und Verschleißerscheinungen
  • Gas-Permeation
  • Umwelteinflüsse
    
    
• Bruchmechanik
• • Betriebsfestigkeit einschließlich Fitness for Service
  • Engineering Critical Assessment
  • Materialermüdung
  • Verfahrensmodellierung
    
    
• Schweiß- und Fügeprozesse
• • 3D-Druck und Generative Fertigung (Additive Manufacturing)
  • Eigenspannungen und Verzug
  • Zerstörungsfreie Prüfung (ZfP)
  • Modellierung und Entwicklung von Algorithmen
  • Langstrecken-Ultraschallprüfung
    
    
• Numerische Optimierung
• • Parametric Design Space Searching
  • Rückwärts-Analyse
  • Topologie-Optimierung

Das Tribologie-Team befasst sich mit 15 Mitarbeitern in unterschiedlichen Technologie-Reifegraden (Technology Ready Levels, TLR):

• In TLR1 bis 3 geht es kurz gesagt um grundlegende Untersuchungen bis hin zum Nachweis der Funktionstüchtigkeit einer Technologie
• In TLR 4 und 5 geht es um den Versuchsaufbau im Labor und in der Einsatzumgebung
• In TLR 6 und 7 werden Prototypen in der Einsatzumgebung im Einsatz bewertet
• In TLR 8 und 9 geht es um qualifizierte Systeme mit Nachweis der Funktionstüchtigkeit im Einsatzbereich sowie schließlich dem Nachweis des erfolgreichen Einsatzes

Das Wort Tribologie kommt von altgriechisch tribos (τρίβος, Reibung) und lógos (λόγος, Lehre) und beschreibt die Lehre von in Relativbewegung zueinander befindlichen Oberflächen. Der Begriff wurde zum ersten Mal 1966 im Jost Report eines Regierungskomitees verwendet, aber die ersten Nachweise zu tribologischen Untersuchungen stammen bereits aus dem Alten Ägypten und die ersten Theorien dazu wurden von Leonardo da Vinci veröffentlicht.

Tribologie tritt unter anderem in Motoren, in Zahnradgetrieben, künstlichen Hüftgelenken, beim Rad-Schiene-Kontakt der Eisenbahn, sowie im Sport und der Erholung auf.

Bei Flügeln von Windturbinen ist Reibung vorteilhaft, was den Luftwiderstand angeht, aber nachteilhaft, wenn es zu Verschmutzung und Anhaften von Wasser kommt. Bei Reifen ist bezüglich der Traktion ein hoher Reibkoeffizient vorteilhaft, aber dieser ist nachteilhaft wenn es um den Reifen- und Straßenverschleiß geht. Wenn ein Papier zu glatt ist, schreibt ein Bleistift nicht richtig darauf. Weitere typische Beispiele sind Streichhölzer, Bremsen, Werkzeuge und Schuhe etc.

Bei der Betrachtung, was eine ideale Oberfläche ist, sind keine Reibung, kein Verschleiß, wenig oder keine Schmierung, keine Auswirkungen von Masse und Geschwindigkeit und keine Oberflächenrauheit gewünscht. In der Realität gibt es aber keine idealen Oberflächen, da die Oberflächeneigenschaften wie oberflächliche Oxidation, Anhaftungen, absorbierte Verunreinigungen berücksichtigt werden müssen. Dann kommt die Oberflächengrenzschicht, der von Oxiden beeinträchtigt sein kann. Darüber liegt eine absorbierte Schicht, z.B. Schmiermittelanhaftungen wie Öl oder Fett und dann erst kommt das Schmiermittel. In der Realität hat aber jede Oberfläche eine gewisse Rauheit. Glas, Holz und Teer haben eine gewisse Rauheit. Die höchsten Punkte dieser Oberfläche beeinflussen die Reibung zwischen bewegten Teilen. Diese Rauheit spielt auch eine wichtige Rolle wenn es um Verschleißfestigkeit geht. Sie hängt von der Geschichte des Bauteils unter Betriebsbedingungen ab.

Reibung wir definiert als der Widerstand, der entsteht, wenn ein Körper sich relativ zu einem anderen bewegt. Sie ist ein Resultat zwischen der mikroskopischen Interaktion zwischen den sich berührenden Oberflächen, wobei zwischen molekularer Adhäsion und mechanische Abrasion unterschieden wird. Der Reibungskoeffizient (µ = F / N) ist das Verhältnis von Reibkraft zu Normalkraft, unabhängig davon ob die Körper aufeinander gleiten oder rollen[, wobei aber  Haftreibungskoeffizient und der Gleitreibungskoeffizient unterschiedlich groß sind].

Es ist wichtig, daran zu erinnern, dass Reibung keine Materialeigenschaft sondern eine Systemeigenschaft ist.
Schmierung reduziert die Reibung und verlängert die Lebensdauer aufgrund des geringeren Verschleißes. Sie verbessert das Gleitverhalten und entfernt Verschmutzungen von den Oberflächen der aufeinander einwirkenden Körper und kühlt diese.

Die Stribeck-Kurve beschreibt den Verlauf des Reibungskoeffizienten in Abhängigkeit von der Reibgeschwindigkeit, der Viskosität und de Last, insbesondere in Abhängigkeit davon, ob es sich um Grenzreibung ohne oberflächliche Schmiermittel, um Mischreibung mit dünnen Schmierfilmen oder um hydrodynamische Flüssigkeitsreibung mit dicken Schmierfilmen handelt. Damit lässt sich das Verhalten des Systems erklären und vorhersagen.

Die Computational Tribology, oder die elektronische Tribologiedatenverarbeitung, befasst sich mit der analytischen und numerischen Methoden, die das Studium der Tribologie erleichtern. Sie hängt von der Wechselwirkung zwischen Verfahren, Struktur und Eigenschaften ab und ist eine Untergruppe des Integrated Computional Materials Engineering (ICME). 

Am TWI untersuchte Beispiele der Tribologie sind wie folgt:

• Abrasion eines Hydroxyapatit-Verbundwerkstoff-beschichteten Implantats
• Abrasiver Verschleiß: Vom Laborversuch zur Bauteilbewertung nach ASTM D4060 (2010) der Standard-Testmethode für die Verschleißfestigkeit für organische Beschichtungen mit dem Taber-Abraser
• Verschleißstudie an keramischen Hüftgelenksimplantaten mit geschmiertem, linearen Stift-auf-Platte-Test (Aluminiumoxid auf Aluminiumoxid)
• Verschleißtest an einer Axialdruckscheibe (Thrust Washer)
• Verbessertes analytisches Reibungsmodells für pneumatische Entlüftungsventile von Flugzeugen (Clean Sky MOTIVE Project, Nr. 785530)
• Nanokratzer in infrarotnah (near infrared, NIR) ausgehärteten Dünnfilmbeschichtungen für Holzlackierungen mit ansteigender Belastung
• Nanoeinkerbungen in elektrisch plattierten Lagern von Flugzeugfahrgestellen
• Verschleißfeste Konstruktion: Optimierung von Partikel-verstärkten Beschichtungen
• Verfahrensoptimierung: Kaltspritzen
• Material-Spezifikation durch tribologisches Reverse Engineering
• Beschleunigte Analyse von tribologischen Beschichtungen

• Tribologie wird von der Interaktion von Oberflächenunebenheiten im Mikro- bis Nanometerbereich wesentlich beeinflusst, d.h. von der Oberflächenbeschaffenheit, den Betriebsbedingungen und den Werkstoffen
• Merkspruch: „Reibung ist eine Systemeigenschaft und keine Materialeigenschaft“
• • Testverfahren
  • Testbedingungen
  • Belastung
  • Geschwindigkeit
  • Geometrie
  • Materialauswahl
  • Probenvorbereitung, Oberflächenbeschaffenheit
  • Schmierstoffauswahl
• Tribologie ist eine multidisziplinäre Wissenschaft und eine Kombination von rechnerischen und experimentellen Ansätzen ist erforderlich, um Computational Engineering durchzuführen
• Computational Engineering kann zum Verständnis der Verfahrens-Struktur-Eigenschafts-Beziehungen beitragen

Dr. Amit Rana und Dr. Damaso De Bono sind im TWI Midlesbrough über Tel +44 1642 216320 erreichbar. 

Für in Süddeutschland, Österreich und der Schweiz ansässige Unternehmen sind weitere Informationen über die am TWI durchgeführten Tribologie-Untersuchungen von AluStir verfügbar. Bitte kontaktieren Sie uns per Telefon (+49 6024 636 0123) oder E-Mail (stephan.kallee@alustir.com).